ATSC DTV시스템의 평균파워추정을 이용한 동기 알고리즘

ATSC DTV 시스템에서 추정 옵셋 변화율을 이용한
동기 알고리즘
남완주 O , 이명걸 O , 임동국 O , 김재명 O
인하대학교 정보통신 대학원 O
Synchronization Algorithm Using the changing rate of the estimated offset in ATSC
1. 서론
DTV System
Wan-Ju Nam O , Myeong Geol Lee O , Dong Kuk Lim O , Jae Moung Kim O
The Graduate School of Information & Telecommunications, INHA University
softlight@paran.com, ddongri80@paran.com, blacksalary@naver.com , jaekim@inha.ac.kr
요 약
ATSC DTV 시스템에서는 동기복원을 위하여 반송파 주파수 동기와 심볼 타이밍 동기를 사용한
다. 반송파 주파수 동기와 심볼 타이밍 동기가 모두 획득 되어야지만 수신단에서 송신신호를
완벽하게 복원할 수 있다. 반송파 주파수 동기부와 심볼 타이밍 동기부에는 PLL(Phase-Locked
Loop)이 사용되는데 PLL 의 루프필터 대역폭이 클 경우에는 지터가 심하지만 빠르게 동기가
획득되고 대역폭이 작을 경우에는 지터량은 없지만 동기획득에 오랜 시간이 걸린다. 본 논문에
서는 빠르게 동기를 획득하고 동기획득 후 지터량을 줄이기 위해서 반송파 주파수동기와 심볼
타이밍 동기에 사용되는 루프필터의 출력 값을 평균하고 이 평균값을 이용하여 옵셋량을 추정
한 후 추정된 옵셋의 변화율에 따라 루프 필터의 대역폭을 적응적으로 변환하여 전체 동기성
능을 향상시킨다.
ATSC DTV 시스템은 고음질, 고화질을 위한 높은
데이터 전송률을 가지고 있으나 심각한 다중경로
환경이나 수신 성능이 열악한 실내 환경 이동통신
환경에서의 채널을 거치면 동기 획득이 어려운 문
제점을 가지고 있다.
DTV 수신기에서는 동기를 위해서 반송파 주파수
동기(Carrier Frequency Synchronization)와 심볼 타이밍
동기(Symbol Timing Synchronization)를 사용한다. [1]
송신기의 변조에 사용한 반송파와 수신기의 복조에
사용되는 반송파가 서로 주파수와 위상이 일치해야
올바른 정보를 수신할 수 있다. 채널에서의 전파 지
연과 LO(Local Oscillator)에의 오차로 인해 발생한
주파수 옵셋을 보상하는 과정을 반송파 주파수 동
기라 하고, 샘플링 클럭 주파수의 오차와 위상 오차
로 인해 발생되는 샘플링 타이밍 옵셋을 보상하는
과정을 심볼 타이밍 동기라 한다. 수신기에서 완벽
한 송신신호 복원을 위해서는 반송파 주파수 동기
와 심볼 타이밍 동기가 모두 획득 되어야만 한다.
각 동기는 PLL(Phase-Locked Loop)로 구성된다. PLL
에는 루프필터가 사용되는데 루프필터의 대역폭에
따라 PLL의 성능은 크게 좌우 된다. 루프필터의 대
역폭이 크면 동기를 빠르게 획득하지만 지터가 심
하다. 루프필터의 대역폭이 작으면 동기획득에 오랜
시간이 걸리지만 지터량은 매우 작게 된다. [2]
본 논문에서는 반송파 주파수 동기와 심볼타이밍
동기를 연동하여 동기에 사용되는 루프필터의 출력
값을 평균하여 이 평균값을 이용하여 옵셋량을 추
정하고 추정된 옵셋 변화량에 따라 단계적으로 루
프필터의 대역폭을 줄여 빠르고 안정적으로 동기를
획득하는 알고리즘을 제안한다. 2 장에서는 기존의
DTV 시스템의 동기 복원 알고리즘에 대하여 논하
고 3 장에서는 단계적 루프필터를 이용한 동기알고
리즘을 제안한다. 4 장에서는 시뮬레이션을 통한 성
능을 비교 분석하고 5장에서 결론을 맺는다.

2. 기존 동기 알고리즘
ATSC DTV 시스템은 동기를 획득하기 위해서 반송
파 주파수 동기와 심볼 타이밍 동기를 사용한다.
그림 1 은 DTV 시스템에서 동기 알고리즘의 블록도
를 나타낸다. Carrier Frequency Synchronization 블록은
파일럿의 정보와 FPLL (Frequency Phase-Locked Loop)
이용하여 주파수 동기를 획득 한다. 여기서 루프필
터는 NCO(Numerically-Controlled Oscilloator)의 위상
과 주파수가 입력신호의 위상과 동일하도록 조절하
는 역할을 한다. 이때 루프필터의 대역폭은 PLL 의
성능을 결정짓는 중요한 요인이 된다.
Symbol Timing Synchronization 은 다중 레벨을 가지
는 신호의 샘플링 클락 옵셋을 추정 하는 방법중
가장 일반적으로 사용되는 가드너 방법을 사용하였
다. 가드너 방법은 심볼 레이트의 두 배로 샘플링
된 신호 간의 곱의 차를 이용하여 샘플링 클럭 옵
셋을 추정하는 방식으로 샘플링 클럭 옵셋은 식(1)
과 같다.
1
( t)
= r(
t − ){ r(
t)
− r(
t −1)}
2
r(t)
e (1)
( :2 배로 오버샘플링 된 수신 데이터)
가드너 방법은 매 심볼마다 타이밍 에러 성분을 추
출하므로 변하는 채널에서 타이밍 동기를 추적하면
서 동기를 유지하는데 유리한 방식이다. 옵셋 추정
값을 누적하여 평균을 구하면 정확한 샘플링 클럭
옵셋을 구할 수 있는데 루프 필터가 옵셋의 추정값
을 누적하여 평균을 구하는 역할을 한다. [3] 그러나
8-VSB 와 같이 다중레벨 신호의 경우 중간 샘플의
값이 다양한 값을 가지게 된다. 물론 전송하는 신호
의 평균값이 0이기 때문에 루프필터에 누적된 중간
샘플의 평균은 0 인 값을 가지지만 매 순간마다
1
r (t)
와 r ( t −1)
의 중간값인 r ( t − ) 이 0 이 아닌
2
값을 가질 수 있기 때문에 타이밍 지터가 매우 커
지는 문제점을 가지고 있다. 가드너 방식은 다중경
로에 따른 성능열화가 적지만 자기 신호간의 간섭
인 지터에 의해 성능이 떨어진다. [4]
그림 1 DTV 시스템에서 동기알고리즘 블록도
그림 2 루프필터 대역폭에 따른 동기수렴 곡선
(a) 반송파 주파수 동기수렴 곡선
(Frequency offset -100 Khz in AWGN Channel)
(b) 심볼 타이밍 동기수렴 곡선
(Sampling Clock offset +200 ppm in AWGN Channel)
그림 2 는 반송파 주파수 동기와 심볼 타이밍 동기
에 사용되는 루프필터 대역폭에 따라서 동기 수렴
곡선을 보여준다. 루프필터대역폭을 1000ppm,
500ppm, 100ppm으로 점차적으로 줄여가며 동기성능
을 측정한 것이다. (a)와 (b)에서 공통적으로 알 수
있는 것은 1000ppm과 같이 루프필터의 대역폭이 크
다면 빠르게 동기를 획득하지만 수렴 후에도 지터
가 계속적으로 심하게 생기고 100ppm과 같이 루프
필터의 대역폭이 작다면 동기를 획득하는데 매우
오랜 시간이 걸리지만 지터가 거의 발생하지 않는
것을 볼 수 있다. [5]
3. 제안 동기 알고리즘
본 논문에서 제안하는 동기 알고리즘은 반송파 주
파수 동기와 심볼 타이밍 동기에 들어가는 루프필
터의 대역폭을 초기에는 루프 필터의 대역폭을 크
게 설정하여 루프필터를 통과한 데이터의 일정 관
찰 시간동안 지터의 평균값을 구한 후 이 지터의
평균값을 이용하여 초기에 옵셋값을 추정하고 초기
옵셋 추정값과 계속적으로 들어오는 옵셋 추정값의
변화율을 이용하여 옵셋 추정치의 변화율이 전에
변화율 보다 적을 경우에 지터의 크기를 줄이기 위
해 점차적으로 대역폭을 줄이는 알고리즘이다.

그림 3 제안된 동기 알고리즘 블록도
알고리즘이 적용되는 블록은 그림 1 에서 회색으로
칠해진 두 루프필터가 된다. 그림 3 은 제안하는 동
기알고리즘의 블록도를 나타낸다.
루프필터 대역폭( BL
)은 식(2)와 같이 정의 된다.
wn
1
BL
= ( ξ + )
2 4ξ
Hz
(2)
(wn
: 루프필터 고유 주파수 , ξ : 댐핑상수 )
루프필터 대역폭( BL )이 결정되면 n 을 구할 수
있으며 식(3)에 의해 루프필터 계수 과 를
조절하게 된다.
w
K1 K 2
2 wn
K1
= ,
K
2
ΔT
wn
K 2 =
K
( K : 루프필터 이득 ΔT
: 루프필터 시간동작차 )
ξ
(3)
심볼타이밍 부에서 특정 관찰 시간 동안 초기 루
프필터 대역폭 BL
( 0)
에서 루프필터 누적 출력값의
평균은 초기 지터 평균( E jitter ( 0)
)이 된다. 이때 지
터 평균은 샘플링 클럭 옵셋의 추정치가 된다.
식(4)를 이용해 초기 기준 기울기(Slopestd )가 결정
된다. 루프필터가 되먹임 되며 새롭게 들어오는 데
이터에 대해서도 E jitter 값을 구한다. 식(5)에 의해
지터 평균의 변화량에 대한 기울기를 구할 수 있다.
E jitter ( 0)
Slope std =
M i
( M i : 초기 계산구간길이 ) (4)
E jitter ( m)
− E jitter ( m −1)
Slopeinput
=
M
(5)
( M : 지터평균 계산구간 길이 , m = 1,
2,
3,...)
if ) Slopeinput
< Slope
std
then
Slope
std
= Slope
std
* k
n
, B
L
( n + 1)
= B
L
( n)
* α
( k : 기울기 감쇄 계수 , 0 < k < 1)
( α : 대역폭 감쇄 계수 , 0 < α < 1 , 1 ≤ n ≤ 5)
(6)
그림 4 제안된 동기 알고리즘 흐름도
식(6)에 의해 계속적으로 기준기울기(Slopestd )와 입
력 지터 평균의 기울기 (Slopeinput )를 비교하여
Slope input < Slope
std
일 경우 기준 기울기는 기울
기 감쇄 계수(k)에 의해 감소된 기준 기울기로 갱신
되고 심볼타이밍 동기부와 반송파 주파수 동기부의
루프필터 대역폭은 대역폭 감쇄계수( α )에 의하여
줄어든다. 본 논문에서는 총 5 번 루프필터의 계수
가 갱신 되게 하였다. ( 1 ≤ n ≤ 5 ) 즉 초기 루프필터
의 대역폭이 1000ppm 이고 α =0.5 라면, 루프필터
대역폭은 1000ppm, 500ppm, 250ppm, 125ppm, 62.5ppm
으로 식(6) 의 조건을 만족하는 경우 갱신된다.
그림 4 는 제안된 동기알고리즘의 흐름도이다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘은 빠른 동기 획득
후 지터의 크기를 줄여 안정적으로 동기를 획득하
는 알고리즘으로 반송파 주파수 동기부와 심볼타이
밍 동기부 모두 적용되어 전체 동기 성능을 향상시
킨다.
4.시뮬레이션 결과
본 시뮬레이션에서는 브라질 채널 모델을 사용하
였다. A 와 B 는 실외 수신 안테나 환경, C 는 실외와
실내 중간 지점, D 는 실내 안테나 환경이다. 표 1 은
브라질 필드 테스트 채널 모델의 특성을 보여준다.
그림 5∼7 은 각 채널별로 기존 방식과 제안한 방식
에 대한 지터량과 수렴 시간을 비교한 그림이다. 첫
번째 그림으로부터 (a) 기존 반송파 주파수 동기,
(b)제안 반송파 주파수 동기, (c) 기존 심볼 타이밍
동기, (d) 제안 심볼 타이밍 동기 그림을 나타낸다.
기존 방식에서 루프필터의 대역폭은 500ppm, 제안
방식에서는 초기 대역폭은 1000ppm 을 사용했으며,
대역폭 감쇄계수( α )은 0.65 을 사용하였고 기울기
감쇄 계수(k)는 0.3 을 사용했다. 이때 루프필터의 갱
신은 5 번으로 한정하였다.

표 1.브라질 필드 테스트 채널 모델
A
B
C
D
Path 1 Path 2 Path 3 Path 4 Path 5 Path 6
Amp. 1.0 0.2045 0.1548 0.1790 0.2078 0.1509
dB 0 -13.8 -16.2 -14.9 -13.6 -16.4
Delay[us] 0 0.15 2.22 3.05 5.86 5.93
Amp. 1.0 0.2512 0.6310 0.4467 0.1778 0.0794
dB 0 -12.0 -4.0 -7.0 -15.0 -22.0
Delay[us] 0.00 0.30 3.50 4.40 9.50 12.70
Amp. 0.7263 1.0000 0.6457 0.9848 0.7456 0.8616
dB -2.8 0.0 -3.8 -0.1 -2.5 -1.3
Delay[us] 0.000 0.089 0.419 1.506 2.322 2.799
Amp. 0.2045 0.1341 0.1548 0.1789 0.2077 0.1509
dB -0.1 -3.8 -2.6 -1.3 0 -2.8
Delay[us] 0.15 0.63 2.22 3.05 5.86 5.93
각 채널에 반송파 주파수 옵셋은 100khz 샘플링 클
럭 옵셋 -200ppm 을 주어 시뮬레이션 하였다.
제안된 방식은 모든 채널에서 초기에 지터의 크기
는 크지만 추정된 옵셋값으로 보정되는 것을 볼 수
있으며 수렴이 되어 추정 옵셋의 변화가 작아지면서
루프 필터의 대역폭이 줄어들어 지터가 줄어드는 것
을 볼 수 있다.
(a)
(c)
(b)
(d)
그림 5 Synchronization for AWGN Channel
(a) (b)
(c)
(d)
그림 6 Synchronization for Brazil B Channel
(a) (b)
(c) (d)
5.결론
그림 7 Synchronization for Brazil C Channel
ATSC 시스템에서의 DTV 수신기는 반송파 주파수
동기와 심볼 타이밍 동기가 모두 획득 되어야지만
수신단에서 송신신호를 제대로 복원할 수 있다. 본
논문에서는 지터량을 줄이면서 성능 향상을 시킬
수 있는 동기 방식을 제안하고 그 성능을 시뮬레이
션을 통해 보였다. 제안한 알고리즘은 특정 관찰
시간 동안 루프 필터를 통과한 데이터 출력을 평균
하여 그 평균값으로 옵셋량을 추정한 후 옵셋의 변
화율이 작아지면 수렴하고 있다고 가정하고 점차적
으로 지터량을 줄이는 방식이다. 시뮬레이션 결과
기존의 동기보다 좀더 빠르게 동기를 획득하고 동
기 수렴 후 지터량이 줄어들어 동기성능을 향상시
켰다.
6. 참고문헌
[1] ATSC A/54, Guide to the use of the ATSC digital
television standard, Dec. 2003.
[2] Huang zhijie, Yi zhiqiang, Zhang Ming, Wang Kuang,
"8PSK Demodulation for New Generation DVB-S2,"
ICCCAS 2004. International Conference, vol.2,
pp.1447-1450, June 2004.
[3] Floyd M. Gardner, "A BPSK/QPSK Timing-Error
Detector for Sampled Receivers," IEEE Trans. on
Communications, COM-24, May 1986..
[4] Yong Chul Kim, Young Ho Oh, Seong Joon Baek, Dae
Jin Kim, "Timing-Offset Compansation Techniques in
ATSC DTV Receivers," IEEE Trans. on Consumer
Electronics, vol.49, no.3, pp.519-523, Aug. 2003.
[5] 김주경, 이주형, 송현근, “적응적 루프필터의 지
터 평균값을 이용한 ATSC DTV 심볼 타이밍 동
기 방식” 대한전자공학회 논문지, 제 42 권, 제 10
호, pp. 671-678, 2005 년 10 월.